張光輝

(1. 北京師范大學(xué)地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100875；2. 北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部,北京 100875)

連通性是個(gè)相對(duì)古老的概念,早在20世紀(jì)30年代,就出現(xiàn)在數(shù)學(xué)領(lǐng)域,40年代末應(yīng)用于物理學(xué)。對(duì)于地球科學(xué),50年代開(kāi)始在氣象學(xué)中使用,60年代應(yīng)用于土壤學(xué)。70年代以后,連通性在地質(zhì)學(xué)、地貌學(xué)等研究中得到廣泛應(yīng)用。21世紀(jì)以來(lái),水文連通性成為水文學(xué)的研究熱點(diǎn),而在過(guò)去10年,泥沙連通性則成為土壤侵蝕研究前沿[1]。泥沙連通性重點(diǎn)關(guān)注流域泥沙源匯級(jí)聯(lián)關(guān)系,是診斷與量化泥沙輸移路徑及其時(shí)空變化、探究泥沙來(lái)源熱點(diǎn)、識(shí)別水土保持重點(diǎn)區(qū)域的基礎(chǔ),與地貌演變、景觀生態(tài)、土地利用結(jié)構(gòu)、水文過(guò)程、土壤侵蝕、水質(zhì)演變及水資源管理等密切相關(guān),因此,研究泥沙連通性具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

泥沙連通性是土壤侵蝕研究的新議題,國(guó)際上的相關(guān)研究呈快速上升態(tài)勢(shì),然而,在中國(guó)尚處于起步階段。隨著數(shù)字高程模型(DEM)精度的不斷提升、圖像處理技術(shù)的快速進(jìn)步以及計(jì)算能力的顯著提高,泥沙連通性必將或即將成為國(guó)內(nèi)土壤侵蝕研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。

本文在簡(jiǎn)單梳理泥沙連通性基本概念、物理涵義的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)分析影響泥沙連通性的主要因素,比較研究泥沙連通性的方法體系,提出近期泥沙連通性需要加強(qiáng)研究的主要內(nèi)容,旨在提升對(duì)泥沙連通性的理解與認(rèn)知,促進(jìn)泥沙連通性研究進(jìn)程。

1 連通性基本概念

連通性是指系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)、能量和有機(jī)物遷移與傳遞難易程度,起源于數(shù)學(xué),目前廣泛應(yīng)用于地貌、生態(tài)、水文、土壤侵蝕、泥沙沉積、水質(zhì)演變、水資源管理、濕地保護(hù)和生物多樣性等不同時(shí)空尺度的研究[2]。連通性可以表征復(fù)雜異質(zhì)系統(tǒng)的物質(zhì)傳遞過(guò)程,從結(jié)構(gòu)與功能角度可以劃分為結(jié)構(gòu)連通性(也稱(chēng)靜態(tài)連通性)和功能連通性(也稱(chēng)動(dòng)態(tài)連通性)[3];從研究對(duì)象可以區(qū)分為景觀連通性、水文連通性和泥沙連通性[4]。景觀連通性與結(jié)構(gòu)連通性等價(jià),具有相同的物理含義,表達(dá)了不同地貌或景觀單元間的物理級(jí)聯(lián)。水文連通性是指物質(zhì)、能量、有機(jī)物以水為介質(zhì),在水循環(huán)各要素間的相互轉(zhuǎn)移[5],是理解流域水循環(huán)各要素及不同過(guò)程時(shí)空變化的基礎(chǔ)。泥沙連通性是指流域不同地貌或景觀單元間的泥沙級(jí)聯(lián)關(guān)系[6],其物理內(nèi)涵為流域內(nèi)不同源匯間侵蝕泥沙的關(guān)聯(lián)度,表征了侵蝕泥沙被輸移出流域的難易程度,取決于地貌或景觀單元的空間分布與格局,也受控于氣候、地貌、流域特征、生態(tài)、水文、土壤侵蝕等地表過(guò)程及其時(shí)空變異。功能連通性刻畫(huà)了具有一定結(jié)構(gòu)連通性的系統(tǒng)內(nèi)地表過(guò)程之間(徑流、泥沙、污染物等)的相互作用,是量化水文連通性和泥沙連通性的關(guān)鍵指標(biāo)。結(jié)構(gòu)連通性顯著影響功能連通性,而功能連通性又會(huì)改變結(jié)構(gòu)連通性。

依據(jù)空間方向,可以將連通性分為橫向連通性、縱向連通性和垂向連通性。橫向是指與流域地表徑流流動(dòng)和泥沙輸移的主體方向垂直;在坡面尺度上,細(xì)溝間徑流和泥沙向鄰近細(xì)溝內(nèi)運(yùn)動(dòng)、切溝邊壁上的徑流和泥沙向切溝內(nèi)匯聚,都屬于典型的橫向連通性問(wèn)題。縱向是指與流域地表徑流流動(dòng)和泥沙輸移的主體方向一致;在小流域尺度上,徑流和泥沙沿著細(xì)溝向淺溝、切溝,從上坡向下坡、從坡面向溝坡及溝道、從上游向下游的運(yùn)動(dòng)和輸移過(guò)程,都是典型的縱向連通性問(wèn)題。垂向是指與地表垂直向下;降水入滲過(guò)程、土壤水分再分布與滲漏過(guò)程及溶質(zhì)與污染物的淋溶過(guò)程,均是代表性的垂向連通性問(wèn)題。傳統(tǒng)的土壤侵蝕研究,更多涉及橫向和縱向連通性,但在研究土壤水分、產(chǎn)流機(jī)制、污染物遷移等問(wèn)題時(shí),則更多關(guān)注垂向連通性。泥沙連通性具有典型的空間依賴性,隨著研究尺度的變化,關(guān)注的連通性可能會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變,如在具有典型二元結(jié)構(gòu)的西南喀斯特地區(qū),在坡面和小流域尺度上,垂向連通性顯著影響坡面產(chǎn)流、匯流以及土壤侵蝕,在研究過(guò)程中需要格外關(guān)注[7]。但隨著研究區(qū)域空間尺度的進(jìn)一步擴(kuò)大,則縱向連通性就變成研究的主題。

連通性,無(wú)論是橫向、縱向,還是垂向,不管是結(jié)構(gòu)連通性,還是功能連通性,都具有強(qiáng)烈的時(shí)間變化特征,如次降雨、日降雨、降水的季節(jié)變化、年際變化及多年變化等都會(huì)引起連通性的響應(yīng),因此,從本質(zhì)上講泥沙連通性是個(gè)典型的四維問(wèn)題,即橫向、縱向、垂向和時(shí)間。泥沙連通性是評(píng)價(jià)景觀敏感性的關(guān)鍵因素,具有典型的尺度依賴性,是流域景觀演變的重要驅(qū)動(dòng)力[6]。泥沙連通性是氣候、地形、土壤、生態(tài)、水文等眾多影響因素自組織的結(jié)果,在一定的時(shí)間尺度上具有靜態(tài)特征,但隨著時(shí)間尺度的延長(zhǎng),又具有明顯的動(dòng)態(tài)變化特性,因而可用階段和通量表征泥沙連通性[1]。

2 影響泥沙連通性的因素

泥沙連通性受氣候、地質(zhì)地貌、流域特征、地形、土壤、植被、水文、水力以及人類(lèi)活動(dòng)等眾多因素的綜合影響,很多因素之間又具有明顯的交互作用,如氣候會(huì)影響土壤性質(zhì)、水文過(guò)程、徑流水力特性、植被生長(zhǎng)以及土壤侵蝕。同時(shí)有些交互作用又具有明顯的區(qū)域分異或地帶性,如在干旱與半干旱區(qū),降水是影響植物類(lèi)型、群落結(jié)構(gòu)、空間格局和生長(zhǎng)狀況的限制性因子,降水特性的時(shí)空變化必然會(huì)影響植被的生長(zhǎng)狀況。眾多影響因素的交互作用及其時(shí)空變化,必然導(dǎo)致泥沙連通性具有強(qiáng)烈的時(shí)空變異特征,增加了泥沙連通性研究的復(fù)雜性和不確定性。

2.1 氣候

在高海拔或高緯度地區(qū),溫度的日變化和季節(jié)變化,顯著影響該區(qū)水文、侵蝕過(guò)程和泥沙連通性。在水力侵蝕區(qū),降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、降雨面積等是影響泥沙連通性的重要因素[8]。徑流是泥沙輸移的載體,降水特性對(duì)水文過(guò)程的影響,會(huì)直接引起泥沙連通性的響應(yīng)。同時(shí)降水特性會(huì)直接通過(guò)雨滴擊濺及徑流輸沙影響土壤分離、泥沙輸移和泥沙沉積過(guò)程[9],從而影響泥沙連通性。細(xì)溝間侵蝕是降雨強(qiáng)度的函數(shù),細(xì)溝侵蝕和切溝侵蝕是徑流水動(dòng)力學(xué)特性的函數(shù),而徑流水動(dòng)力學(xué)特性又受控于降雨特性,因而流域內(nèi)侵蝕類(lèi)型的空間分布直接受降水特性影響。無(wú)論是氣候?qū)搅鞯挠绊?還是對(duì)土壤侵蝕的影響,都會(huì)引起泥沙連通性發(fā)生相應(yīng)的變化。對(duì)于次降雨,在降雨產(chǎn)流初期,坡面泥沙連通性迅速增大,隨著降雨的持續(xù),土壤入滲趨于穩(wěn)定,徑流達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定階段,泥沙連通性也達(dá)到了暫時(shí)性的穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)坡面產(chǎn)生細(xì)溝后,泥沙連通性顯著增大[10]。暴雨,特別是極端降水是影響流域泥沙連通性的重要因素,在暴雨條件下水文連通性很強(qiáng),各種侵蝕類(lèi)型都會(huì)強(qiáng)烈發(fā)育,產(chǎn)生大量泥沙,被徑流直接輸移出流域,因而泥沙連通性顯著增強(qiáng)[11]。氣候的年際波動(dòng)顯著影響泥沙連通性,特別在干旱和半干旱區(qū)更是如此,枯水年植被稀疏、徑流偏少、侵蝕不發(fā)育,雖然流域結(jié)構(gòu)連通性因植被稀疏而有所增大,但功能連通性因徑流偏少而明顯下降;而在豐水年植被生長(zhǎng)旺盛、徑流偏多、侵蝕發(fā)育,則功能連通性明顯增加。在長(zhǎng)時(shí)間尺度上,氣候變化是影響泥沙連通性的重要因素,降水的趨勢(shì)性減少,勢(shì)必會(huì)引起泥沙連通性降低,而降水的趨勢(shì)性增大,特別是暴雨頻率增加,必然會(huì)導(dǎo)致泥沙連通性增強(qiáng)。

2.2 地質(zhì)地貌

巖性是影響土壤性質(zhì)的重要因素,土壤水文是影響流域產(chǎn)匯流的關(guān)鍵因素,而土壤侵蝕直接受控于土壤屬性,因此,巖性是影響流域泥沙連通性的重要因素。地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)運(yùn)動(dòng)與泥沙連通性密切相關(guān),地質(zhì)構(gòu)造決定了地下水水位、儲(chǔ)量大小以及運(yùn)動(dòng)方向和強(qiáng)度,這些特征都是影響關(guān)鍵帶垂向連通性的關(guān)鍵因素。地質(zhì)運(yùn)動(dòng)是導(dǎo)致地震的直接動(dòng)力,而地震又是誘發(fā)滑坡、崩塌等重力侵蝕的重要因素?；潞捅浪陌l(fā)生,導(dǎo)致大量松散泥沙在道路、洼地和溝道堆積,可能會(huì)增強(qiáng)或降低泥沙連通性?；鹕絿姲l(fā)對(duì)泥沙連通性的影響與地震類(lèi)似[12]。地貌特征顯著影響泥沙連通性[13],根據(jù)土壤侵蝕空間分布和侵蝕泥沙來(lái)源,一般可將流域劃分為上游侵蝕區(qū)、中游泥沙輸移區(qū)和下游泥沙沉積區(qū),泥沙連通性呈強(qiáng)、中、弱的空間分布格局;對(duì)于水沙異源的黃河流域,地形破碎的黃土高原泥沙連通性最強(qiáng),特別是中游的黃土丘陵溝壑區(qū)更是如此,導(dǎo)致黃河中游成為典型的泥沙源,而下游則為典型的泥沙匯。

2.3 流域特征與地形

流域面積、形狀、溝壑密度及溝道比降等流域特征,顯著影響泥沙連通性。一般而言流域面積越大,泥沙連通性影響因素的時(shí)空異質(zhì)性越強(qiáng),泥沙連通性越低。在黃土丘陵溝壑區(qū)小流域尺度上,多年平均泥沙輸移比為1,隨著流域面積增大,泥沙輸移比下降[14],充分說(shuō)明隨著流域面積增大,泥沙連通性呈下降態(tài)勢(shì)。流域形狀是影響流域匯流的核心因素,流域形狀系數(shù)越大,表明流域形心距離流域出口越近,匯流歷時(shí)越短,泥沙連通性越強(qiáng)。溝道是連接上下游的樞紐,也是徑流運(yùn)動(dòng)和泥沙輸移的通道,溝壑密度越大則泥沙連通性越強(qiáng)。同時(shí)溝道等級(jí)和溝道比降等也直接影響泥沙連通性,隨著溝道等級(jí)升高和溝道比降下降,泥沙連通性降低[15]。

隨著高程增加,輸入大氣的能量減小,導(dǎo)致與土壤侵蝕密切相關(guān)的氣候、土壤、植被、水文等過(guò)程發(fā)生變化,土壤侵蝕類(lèi)型出現(xiàn)典型的垂直分帶性,泥沙連通性必然出現(xiàn)響應(yīng)。隨著坡度增大徑流流速和能量增大,徑流分離土壤[16]和輸移泥沙[17]的能力增強(qiáng),泥沙連通性增大。坡向會(huì)直接影響太陽(yáng)輻射,改變降水和氣溫,影響土壤水分、土壤蒸發(fā)和植被生長(zhǎng)等過(guò)程,進(jìn)而影響土壤侵蝕和泥沙連通性。坡型會(huì)影響坡面徑流的匯聚或分散狀況,凹型坡面徑流容易匯聚,凸型坡面徑流趨于分散,因此,坡型通過(guò)影響徑流流路和匯聚程度,改變泥沙連通性。洼地容易產(chǎn)生徑流聚集,是切溝溝頭形成的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),一旦形成溝頭,切溝會(huì)迅速發(fā)育,快速增大泥沙連通性。地表糙率是影響坡面產(chǎn)流、匯流和侵蝕的重要因素。在坡面尺度,隨機(jī)糙率及其時(shí)空變化[18]是影響泥沙連通性的主要因素;在溝道系統(tǒng)內(nèi),溝道土壤或泥沙顆粒組成以及溝道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),直接影響徑流阻力和挾沙力[19],進(jìn)而影響泥沙連通性。

2.4 土壤屬性

土壤屬性是影響降水入滲、坡面產(chǎn)流和土壤侵蝕的關(guān)鍵參數(shù),因此直接影響泥沙連通性[20]。土壤類(lèi)型與質(zhì)地決定了土壤孔隙的大小、多少和連通狀況,是影響土壤入滲性能的根本因素。在超滲產(chǎn)流地區(qū),土壤入滲越快,同樣降雨條件下產(chǎn)生的地表徑流越少,水文連通性越差,則泥沙連通性越低。在蓄滿產(chǎn)流地區(qū),土壤厚度是影響產(chǎn)流的重要因素,土壤厚度越大則土壤儲(chǔ)水功能越強(qiáng),地表徑流越少,泥沙連通性越低。土體構(gòu)型也是影響泥沙連通性的重要因素,當(dāng)土壤中存在相對(duì)不透水層時(shí),容易形成壤中流,一方面會(huì)改變徑流組分,另一方面壤中流在坡面下部的出露會(huì)增大溝蝕發(fā)育風(fēng)險(xiǎn),從而影響泥沙連通性。土壤性質(zhì)的空間異質(zhì)性,會(huì)影響徑流的空間分布,進(jìn)而影響水文連通性,改變泥沙連通性[21]。降雨過(guò)程中土壤物理結(jié)皮的形成和發(fā)育,對(duì)坡面產(chǎn)流和產(chǎn)沙過(guò)程具有顯著影響,土壤入滲顯著下降,土壤抗蝕性能增強(qiáng)。而土壤物理結(jié)皮的發(fā)育,與土壤黏粒含量密切相關(guān),當(dāng)黏粒含量接近20%時(shí),土壤最易形成物理結(jié)皮,影響泥沙連通性。土壤水分及其時(shí)空變化,是影響泥沙連通性的重要因素,無(wú)論是超滲產(chǎn)流還是蓄滿產(chǎn)流,前期土壤水分越大則越容易產(chǎn)流,從而增大泥沙連通性。土壤屬性是影響土壤抗蝕性能的核心因素,土壤侵蝕就是侵蝕動(dòng)力與土壤抗蝕性能相互作用的結(jié)果,土壤機(jī)械組成、有機(jī)質(zhì)含量、團(tuán)聚體含量及其穩(wěn)定性,都與土壤分離過(guò)程密切相關(guān)[22]。土壤抗蝕性能越強(qiáng),則同樣降雨條件下產(chǎn)生的泥沙越少,泥沙連通性越低。

2.5 植被特征

植被對(duì)泥沙連通性的影響涉及到水文過(guò)程和侵蝕過(guò)程2個(gè)方面。植被具有強(qiáng)大的生態(tài)水文功能,冠層截留、枯落物蓄水、根系改善土壤結(jié)構(gòu)提升土壤入滲性能以及地表糙率增大延阻徑流流動(dòng)[23- 24]、增加地表徑流入滲,都會(huì)導(dǎo)致坡面水文連通性和侵蝕動(dòng)力下降。植被冠層消減降雨動(dòng)能、枯落物覆蓋地表以及根系系統(tǒng)固結(jié)土壤,會(huì)顯著強(qiáng)化土壤抗蝕性能[25],抑制土壤分離過(guò)程和泥沙輸移過(guò)程[26],降低泥沙連通性。植被斑塊的空間結(jié)構(gòu),特別是干旱與半干旱區(qū)植被灌叢化分布,會(huì)增大侵蝕泥沙源匯空間異質(zhì)性,降低泥沙連通性[27]。植被也會(huì)影響垂向連通性,植被根系的生長(zhǎng)發(fā)育,特別是直徑較粗、分布較深的直根系,會(huì)擠壓和穿插土壤,導(dǎo)致土體產(chǎn)生大量裂隙,根系死亡分解后會(huì)殘留許多孔洞,這些裂隙和孔洞為優(yōu)先流發(fā)育創(chuàng)造了便利條件,促進(jìn)水分和溶質(zhì)以及污染物垂向運(yùn)動(dòng),顯著提升垂向連通性[28]。植被對(duì)泥沙連通性的影響,與植物類(lèi)型、群落結(jié)構(gòu)、演替階段、空間格局以及生長(zhǎng)狀況密切相關(guān),群落結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、生長(zhǎng)越茂密,則抑制泥沙連通性的功能越強(qiáng)大[29]。

2.6 水文與水力特性

產(chǎn)流方式主要包括超滲和蓄滿兩大類(lèi),不同的產(chǎn)流方式?jīng)Q定了同等降雨條件下徑流組分(地表徑流、壤中流和地下徑流)的差異,而不同組分徑流的流路截然不同,匯流歷時(shí)差異懸殊,地表徑流所占比例越大,徑流匯流越迅速,泥沙連通性越強(qiáng)。產(chǎn)流方式主要取決于土體構(gòu)型以及凍融過(guò)程,土壤厚度和解凍深度是關(guān)鍵。徑流的水動(dòng)力學(xué)特性主要受控于流量和坡度以及下墊面狀況,流量越大、坡度越陡,徑流分離土壤和輸移泥沙的能力就越大[16- 17],則泥沙連通性越強(qiáng)。輸沙對(duì)徑流水動(dòng)力學(xué)特性具有顯著的反饋效應(yīng),隨著輸沙率增大,徑流紊動(dòng)性降低、阻力增大、流速下降[30],導(dǎo)致泥沙連通性降低。無(wú)論是流域水文特征還是徑流水動(dòng)力學(xué)特性,都與暴雨密切相關(guān),洪水會(huì)顯著提升流域泥沙連通性,而在枯水季泥沙連通性主要受控于河川基流,明顯偏小[31]。

2.7 人類(lèi)活動(dòng)

土地利用方式及其調(diào)整是影響泥沙連通性的關(guān)鍵因素。在很多條件下,土地利用方式及其結(jié)構(gòu)是影響土壤侵蝕的核心因素[21]。坡耕地是小流域侵蝕泥沙的主要策源地[22],坡耕地?cái)?shù)量、空間分布以及距離道路、溝道和流域出口的遠(yuǎn)近,會(huì)直接影響流域產(chǎn)沙過(guò)程以及泥沙連通性。農(nóng)事活動(dòng)(耕作、播種、鋤草、施肥、收獲等)及其擾動(dòng)強(qiáng)度是影響坡耕地土壤侵蝕的關(guān)鍵,隨著農(nóng)事活動(dòng)頻次和擾動(dòng)強(qiáng)度的增大,坡耕地土壤侵蝕加劇[32],增大流域侵蝕泥沙源,提高流域泥沙連通性。絕大部分的水土保持措施,都是以強(qiáng)化降水“就地入滲”和提升土壤抗蝕性能為基礎(chǔ)。降水入滲的增大,會(huì)降低徑流挾沙力[17],土壤抗蝕性能的提升,會(huì)降低土壤分離能力[33],結(jié)果必然是泥沙連通性下降。以梯田建設(shè)為主要措施的坡面治理工程,截短坡面長(zhǎng)度、縮小集水區(qū)面積、降低集水區(qū)坡度,在設(shè)計(jì)暴雨以內(nèi)導(dǎo)致水平梯田成為典型的泥沙匯,顯著降低流域泥沙連通性。隨著城市化或城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,大量農(nóng)村人口向城市或城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致梯田棄耕現(xiàn)象普遍存在。由于缺少必要的日常維護(hù),可能會(huì)產(chǎn)生大量徑流橫向匯集,沖毀梯田邊埂,顯著增大泥沙連通性[34]。退耕是典型的區(qū)域水土保持措施,隨著退耕的有效實(shí)施,坡耕地面積逐漸下降,坡面侵蝕泥沙顯著降低,同時(shí)受道路網(wǎng)絡(luò)與溝道級(jí)聯(lián)降低的綜合影響,流域泥沙連通性明顯降低[35]。與枯落物覆蓋類(lèi)似,地表覆蓋(如秸稈還田、綠肥還田等)會(huì)顯著改變坡面水文與侵蝕過(guò)程,降低泥沙連通性。森林管理是維持森林生產(chǎn)力的有效手段,間伐引起森林郁閉度、植株密度以及近地表特性改變,會(huì)明顯增大流域泥沙連通性[36]。溝道治理工程(如谷坊、淤地壩)會(huì)阻礙或截?cái)鄰搅髁髀?降低溝道比降,引起徑流挾沙力下降,導(dǎo)致大量泥沙沉積,使得局部溝道變?yōu)槟嗌硡R,顯著降低流域泥沙連通性[15，37]。對(duì)于地勢(shì)比較平坦、以耕地為主的農(nóng)業(yè)流域,排水系統(tǒng)建設(shè)會(huì)導(dǎo)致橫向連通性下降、縱向連通性增強(qiáng),而排水系統(tǒng)報(bào)廢則會(huì)顯著增大流域橫向連通性,加速土壤侵蝕與養(yǎng)分流失[34]。當(dāng)然人類(lèi)活動(dòng)對(duì)泥沙連通性的影響,具有一定的時(shí)效性,如魚(yú)鱗坑對(duì)泥沙連通性的影響,隨著魚(yú)鱗坑被泥沙的逐漸填滿而緩慢降低。同時(shí)植被恢復(fù)等措施對(duì)泥沙連通性的影響具有一定的滯后性,只有當(dāng)植被有效覆蓋地表、植物群落近地表特性發(fā)生明顯變化后,才會(huì)顯著影響泥沙連通性。

2.8 土壤侵蝕

土壤侵蝕與泥沙連通性相互影響,關(guān)系較為復(fù)雜。土壤侵蝕類(lèi)型、強(qiáng)度及其時(shí)空分布與變化都會(huì)影響泥沙連通性。細(xì)溝形成及其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的發(fā)育,會(huì)顯著提升坡面泥沙連通性。切溝是連接坡面和溝坡的樞紐,是徑流運(yùn)動(dòng)和泥沙輸移的便捷通道,切溝的形成和發(fā)育,會(huì)徹底改變?yōu)R蝕導(dǎo)致的地表糙率下降以及細(xì)溝發(fā)育引起的坡面泥沙輸移通道貫通等過(guò)程對(duì)泥沙連通性的影響。切溝發(fā)育及其空間分布,會(huì)增大流域泥沙連通性。重力侵蝕的發(fā)生,會(huì)產(chǎn)生大量的侵蝕泥沙,為徑流輸移泥沙提供便利的泥沙源,但當(dāng)其規(guī)模很大時(shí),可能會(huì)阻塞溝道,降低流域泥沙連通性,只有在大暴雨或后續(xù)降水條件下才可能被徑流輸移,輸出流域出口。

3 泥沙連通性研究方法

3.1 野外調(diào)查法

野外調(diào)查法是對(duì)流域內(nèi)影響泥沙連通性的地貌特征、植被斑塊類(lèi)型和數(shù)量等進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)查和制圖,標(biāo)識(shí)抑制或提升泥沙連通性的地貌單元、植被斑塊、道路網(wǎng)絡(luò)等要素的類(lèi)型和空間分布,判斷流域泥沙源匯級(jí)聯(lián)[38]。地貌(或景觀)單元判讀可以根據(jù)流域具體情況確定,大體包括洪積平原、沖積扇、臺(tái)地、山麓、落石錐、泥石流堆積扇、陷穴、谷坊、淤地壩、蓄水池、塘壩和水庫(kù)等[39]。為評(píng)估泥沙連通性,需要分析各個(gè)地貌單元與溝道的聯(lián)通關(guān)系,大體上可以分為6類(lèi):受緩沖帶阻擋坡面/支溝與主溝道無(wú)聯(lián)通,支溝到達(dá)緩沖帶時(shí)已消失且與主溝無(wú)聯(lián)通,支溝穿過(guò)緩沖帶與主溝道聯(lián)通,坡面/支溝與主溝直接聯(lián)通,受景觀單元影響坡面/支溝與主溝無(wú)聯(lián)通，受道路影響坡面/支溝與主溝無(wú)聯(lián)通[38]。通過(guò)野外調(diào)查、制圖和后期的圖形處理,即可確定與主溝道或流域出口聯(lián)通的流域面積。

在流域發(fā)生明顯的次降水或侵蝕事件后,可以在全流域,尤其是溝道系統(tǒng)直接調(diào)查土壤侵蝕、泥沙沉積以及溝道崩塌等情況,用于直接判斷或解釋不同地貌單元或泥沙源- 匯級(jí)聯(lián)關(guān)系[40]。野外調(diào)查法需要詳細(xì)的地形圖、遙感影像、航片和土地利用等資料,是定性研究泥沙連通性的常規(guī)方法。隨著表征泥沙連通性定量指標(biāo)體系的不斷完善和發(fā)展,野外調(diào)查法得到的結(jié)果,主要用于評(píng)價(jià)、驗(yàn)證或解釋定量指標(biāo)計(jì)算的結(jié)果。

3.2 圖論法

圖論法是通過(guò)對(duì)比分析不同時(shí)期的DEM,直觀展示不同景觀單元間泥沙級(jí)聯(lián)的空間分布與動(dòng)態(tài)變化,確定地形變化熱點(diǎn)區(qū)域[41],是研究結(jié)構(gòu)連通性的常用方法。隨著測(cè)量方法和圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展,圖論法在泥沙連通性的應(yīng)用必將更為廣泛。針對(duì)不同的研究對(duì)象,可以選擇不同的定量指標(biāo)進(jìn)行表達(dá),如基于可達(dá)性的什貝葉指數(shù)和潛在徑流指數(shù)等。

什貝葉指數(shù)(Ishi)是圖形上某一格點(diǎn)(i)與全部相連格點(diǎn)(j)最短距離(dij)的和。為了便于分析其時(shí)空變化,可以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理:

(1)

式中:Shii為什貝葉指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化值;djk為格點(diǎn)j到其他格點(diǎn)k的最短距離。

什貝葉指數(shù)較高表明該結(jié)點(diǎn)可達(dá)性較弱,反之可達(dá)性較高。換言之,什貝葉指數(shù)較大則侵蝕泥沙不易到達(dá)流域出口,泥沙連通性較弱。

潛在徑流指數(shù)(F)是假定所有其他條件一致、給每個(gè)結(jié)點(diǎn)賦予一個(gè)單位體積的泥沙進(jìn)行評(píng)估,體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)泥沙級(jí)聯(lián)的影響,可以展示泥沙運(yùn)動(dòng)受阻的空間位置。用通過(guò)結(jié)點(diǎn)i到達(dá)流域出口的流路數(shù)(Fijo)除以通過(guò)全部結(jié)點(diǎn)j到達(dá)流域出口的流路數(shù)(Fjo)表達(dá):

(2)

潛在徑流指數(shù)表征了坡面產(chǎn)生徑流的潛力,間接反映了泥沙連通性。Fi越大則泥沙連通性越強(qiáng),反之泥沙連通性越低。潛在徑流指數(shù)與什貝葉指數(shù)間具有一定的聯(lián)系,潛在徑流指數(shù)隨著什貝葉指數(shù)的增大呈線性函數(shù)增大,因而可以通過(guò)擬合潛在徑流指數(shù)與什貝葉指數(shù)間的線性關(guān)系,計(jì)算潛在徑流指數(shù)殘差(RF),反映泥沙連通性,該指數(shù)比較穩(wěn)定、更為合理[41]。RF接近0說(shuō)明經(jīng)過(guò)該結(jié)點(diǎn)的泥沙可以全部輸移到下個(gè)結(jié)點(diǎn),RF>0說(shuō)明該結(jié)點(diǎn)具有較高的泥沙連通性,而RF<0則表明該結(jié)點(diǎn)的泥沙連通性較低。

在小區(qū)、坡面、切溝和細(xì)溝- 切溝系統(tǒng)等較小的空間尺度上,可以通過(guò)多期高精度DEM監(jiān)測(cè),比較不同時(shí)期單元格高程變化,確定土壤侵蝕與泥沙沉積空間分布及侵蝕與泥沙沉積體積[8]:

(3)

式中:V為體積變化；AU為單元格面積；N為單元格數(shù)量；ΔZi為單元格高程變化。V<0說(shuō)明單元格為侵蝕區(qū),V>0則說(shuō)明單元格為沉積區(qū)。如進(jìn)一步確定侵蝕泥沙量,則需要土壤容重等參數(shù)的實(shí)測(cè)值,體積乘容重即為侵蝕量或泥沙沉積量。

3.3 指標(biāo)法

泥沙連通性定量表征指標(biāo)與研究的時(shí)空尺度密切相關(guān)。常用的泥沙連通性指標(biāo)有:

(1) 徑流流路長(zhǎng)度(或匯流路徑長(zhǎng)度、徑流長(zhǎng)度)。表征水文連通性的經(jīng)典指標(biāo),可在一定程度上反映泥沙連通性。計(jì)算時(shí)將裸地視為徑流和泥沙源,而將洼地和植被覆蓋斑塊作為徑流和泥沙匯,基于高精度DEM確定徑流流路,計(jì)算徑流流路長(zhǎng)度。徑流流路越長(zhǎng)說(shuō)明該點(diǎn)到達(dá)溝道或流域出口越遠(yuǎn),則泥沙連通性越弱,反之則泥沙連通性越強(qiáng)[42]。

(2) 有效流域面積。該參數(shù)以坡度為基礎(chǔ),判斷流域內(nèi)與溝道或流域出口連通的流域面積。該參數(shù)的基本假定是土壤侵蝕是坡度的函數(shù),當(dāng)坡度大于某一閾值后,土壤侵蝕必然發(fā)生,而侵蝕產(chǎn)生的泥沙可能會(huì)被輸移出流域出口。計(jì)算時(shí)采用高精度DEM,確定每個(gè)單元格的坡度,利用選定的坡度閾值,計(jì)算與溝道或流域出口連通的流域面積。使用該方法時(shí),選擇合理的坡度閾值非常重要,一般而言流域地形越陡,則坡度閾值越大[39]。

(3) 相對(duì)地表連通函數(shù)(RA)。表征水文連通性的指標(biāo),可以間接反映泥沙連通性。該指標(biāo)以簡(jiǎn)化的水文過(guò)程為基礎(chǔ),忽略徑流運(yùn)動(dòng)速度、匯流時(shí)間以及降水入滲等對(duì)徑流的影響,將產(chǎn)流過(guò)程簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的填洼過(guò)程,則瞬時(shí)徑流系數(shù)(r)等于地表水文連通面積與總面積的比值[10],即

(4)

式中:i為入滲速率；p為降雨強(qiáng)度；f為函數(shù)；P為降雨量；I為累積入滲量。

(4) 地形濕潤(rùn)指數(shù)(ITW)。表征局地土壤水分大小以及可能形成地表徑流的潛力,直接反映流域水文連通性,可間接量化泥沙連通性:

(5)

式中:SCA為單元格集水區(qū)面積除以單元格長(zhǎng)度；β為單元格坡度。線性級(jí)聯(lián)的高ITW單元格通常是地表徑流的流路,具有較高的泥沙連通性。而獨(dú)立分布的高ITW單元格多為徑流匯,匯聚于此的徑流或消耗于蒸發(fā),或入滲變?yōu)橥寥浪?泥沙連通性較低[43]。

(5) 連通性指數(shù)(IC)。表征流域泥沙源- 匯間的潛在聯(lián)系[44],廣泛用于泥沙連通性研究,其表達(dá)式為

(6)

IC越大則連通性越強(qiáng),IC越小則連通性越弱。其中Dup為集水區(qū)泥沙向下輸移的潛力:

(7)

(8)

式中:di為第i個(gè)單元格距泥沙匯的距離；Wi為綜合反映第i個(gè)單元格地表狀況和土地利用的加權(quán)系數(shù)；Si為第i個(gè)單元格的坡度。為了防止計(jì)算過(guò)程出現(xiàn)錯(cuò)誤,當(dāng)坡度小于0.005時(shí),必須給坡度賦值0.005；當(dāng)坡度大于1時(shí)必須賦值為1。加權(quán)系數(shù)W綜合考慮了下墊面情況對(duì)泥沙輸移的影響,可以采用通用土壤流失方程中不同土地利用條件下植被覆蓋因子C值、曼寧系數(shù)、隨機(jī)糙率或土壤水分、土壤儲(chǔ)水量和土壤比重進(jìn)行賦值[40,44- 45]。從物理本質(zhì)上講,IC表達(dá)了流域景觀單元的結(jié)構(gòu)連通性,但經(jīng)過(guò)加權(quán)系數(shù)的調(diào)整,在一定程度上也反映了功能連通性。當(dāng)采用隨機(jī)糙率(5×5個(gè)移動(dòng)窗口高程的標(biāo)準(zhǔn)差)修訂加權(quán)系數(shù)W時(shí),因隨機(jī)糙率和連通性指數(shù)之間呈負(fù)相關(guān),應(yīng)按下式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理:

(9)

式中:RR為隨機(jī)糙率；RRmax為最大隨機(jī)糙率。

(6) 橫向連通性指數(shù)(ILHE)。表征泥沙橫向連通性[46],其算法為

ILHE=IC50NlgA

(10)

式中:IC50N為標(biāo)準(zhǔn)化的IC值中位數(shù),標(biāo)準(zhǔn)化處理的目的主要是為了防止出現(xiàn)負(fù)值,具體算法為

(11)

式中:IC50w為流域IC中位數(shù)；minIC50為流域最小IC中位數(shù)；maxIC50為流域最大IC中位數(shù)。IC50N變化在0～1之間,其值越大說(shuō)明泥沙連通性越強(qiáng)。IC和ILHE的主要區(qū)別在于空間表達(dá)形式,IC用柵格表征,每個(gè)網(wǎng)格都有對(duì)應(yīng)的IC值,空間格局受控于DEM分辨率;而ILHE以矢量表達(dá),空間尺度主要受水文網(wǎng)絡(luò)影響[46]。

(7) 簡(jiǎn)化的連通性指數(shù)(ISC)。當(dāng)若干個(gè)(i=1,2,…,N)泥沙源同時(shí)連接同一泥沙匯時(shí),如不同泥沙源的徑流流路長(zhǎng)度和土壤流失量分別為di和SLi,將di和SLi用最大流路長(zhǎng)度dmax和流失量SLmax標(biāo)準(zhǔn)化,則ISC為[47]

(12)

式中:土壤流失量SLi可以用通用土壤流失方程等模型計(jì)算。

(8) 基于泥沙移動(dòng)性的泥沙連通性指數(shù)(ICSM)[48]。

ICSM=lgA(SM)

(13)

上文列舉的8個(gè)泥沙連通性定量表征指標(biāo),前4個(gè)屬于間接指標(biāo),無(wú)法直接計(jì)算泥沙連通性,只能作為泥沙連通性評(píng)價(jià)的輔助指標(biāo),分析泥沙連通性時(shí)空變化的潛在原因。連通性指數(shù)(IC)綜合考慮了單元格集水區(qū)面積、距離溝道或流域出口的距離、地表狀況或土地利用對(duì)泥沙輸移過(guò)程的影響,是目前國(guó)際上應(yīng)用最為廣泛的量化泥沙連通性的指標(biāo)。而橫向連通性指數(shù)(ILHE)是在連通性指數(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,必將隨著連通性指數(shù)的進(jìn)一步流行而在更大范圍內(nèi)使用。簡(jiǎn)化的連通性指數(shù)(ISC)同時(shí)考慮了土壤流失量和徑流流路長(zhǎng)度,從理論上而言具有一定的先進(jìn)性,但通用土壤流失方程僅適合計(jì)算多年平均土壤流失量,當(dāng)計(jì)算次降雨土壤流失量時(shí)誤差很大,而泥沙連通性的研究可能與次降雨、特別是次暴雨的關(guān)系更為緊密,從而會(huì)限制該指數(shù)在泥沙連通性中的應(yīng)用?；谀嗌骋苿?dòng)性的泥沙連通性指數(shù)(ICSM)將泥沙連通性概化為潛在泥沙和輸移泥沙兩部分,引入了土壤侵蝕過(guò)程概念,但潛在泥沙和輸移泥沙之間并不是簡(jiǎn)單的乘積關(guān)系,主控因素也存在顯著差異,同時(shí)在計(jì)算各個(gè)指標(biāo)時(shí)采用了很多概化參數(shù),確定的難度和誤差較大。因此在實(shí)際工作中,建議優(yōu)先使用IC和ILHE刻畫(huà)泥沙連通性。

3.4 模型模擬法

徑流曲線數(shù)模型是利用次降雨量、前期影響雨量、水文土壤組和土地利用方式,估算次降雨地表徑流量的經(jīng)典方法,可以評(píng)價(jià)小流域土壤類(lèi)型、土壤水分、土地利用方式及水土保持措施對(duì)水文和泥沙連通性的影響[49]。

利用高質(zhì)量、高分辨率的地形數(shù)據(jù),將流域劃分為山坡和溝道,坡面穩(wěn)定性可用坡面失穩(wěn)概率表示,它是降水強(qiáng)度、土壤性質(zhì)、地形條件以及植被特性的函數(shù),也是土壤飽和度的函數(shù),利用基于地形濕潤(rùn)指數(shù)(ITW)的SHALSTAB模型,可以模擬流域侵蝕泥沙源和匯,量化泥沙連通性[50]。利用LAPSUS模型評(píng)估植被斑塊或梯田建設(shè)對(duì)泥沙連通性的影響,具有一定的優(yōu)勢(shì)。Lesschen等[51]研究了西班牙東南部半干旱區(qū)小流域泥沙連通性,發(fā)現(xiàn)植被斑塊和梯田的空間分布是影響流域泥沙連通性的關(guān)鍵因素,當(dāng)沒(méi)有梯田時(shí)流域徑流和泥沙分別增大了4倍和9倍。López- Vicente等[52]基于Revised Morgan,Morgan and Finney (RMMF)模型研究了不同土地利用情景對(duì)流域徑流和泥沙連通性的影響,發(fā)現(xiàn)灌溉渠道和梯田邊埂的連通性最強(qiáng),隨著植被覆蓋增大和線狀建筑物(渠道、道路等)減少,流域水文和泥沙連通性顯著降低。隨著退耕驅(qū)動(dòng)的植被恢復(fù),不同土地利用類(lèi)型下的土壤侵蝕模數(shù)逐漸降低,流域泥沙連通性持續(xù)下降。

雖然目前利用土壤侵蝕過(guò)程模型計(jì)算流域泥沙連通性的相關(guān)研究較少,但可以肯定的是只有使用分布式土壤侵蝕過(guò)程模型,才有可能較為準(zhǔn)確地確定不同時(shí)空尺度下侵蝕泥沙的來(lái)源、輸移和沉積過(guò)程,進(jìn)一步確定流域泥沙連通性。換言之,雖然目前國(guó)際上流行的次降雨土壤侵蝕過(guò)程模型,如LISEM、EUROSEM、WEPP、SWAT等尚存在著不少缺點(diǎn),前3個(gè)模型比較系統(tǒng)地考慮了土壤侵蝕過(guò)程,但僅適用于小流域;SWAT模型可以在較大流域、甚至全球尺度上使用,但模型中土壤侵蝕的算法基于MUSLE,無(wú)法實(shí)現(xiàn)次降雨土壤流失準(zhǔn)確模擬,因而無(wú)法準(zhǔn)確確定泥沙連通性。但與其他方法相比,分布式土壤侵蝕過(guò)程模型具有量化泥沙連通性時(shí)空分異的巨大潛力,是泥沙連通性研究的發(fā)展趨勢(shì),必將成為未來(lái)研究泥沙連通性的主要方法。

4 亟待加強(qiáng)的研究?jī)?nèi)容

在過(guò)去10多年里,泥沙連通性研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展,為深刻理解地貌演變、地形變化、生態(tài)過(guò)程、水文過(guò)程、泥沙輸移、污染物遷移與水質(zhì)保護(hù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。然而,目前的研究尚不完善,在很多方面亟需加強(qiáng)研究,重點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面:

4.1 泥沙連通性概念與物理含義

目前存在很多不同的泥沙連通性概念,但大部分概念都比較抽象,物理含義不明確,無(wú)法直接測(cè)量或計(jì)算。特別是結(jié)構(gòu)連通性和功能連通性之間,存在著包容或因果關(guān)系,換言之,結(jié)構(gòu)連通性是功能連通性的重要組成和影響因素,不應(yīng)作為平行概念使用。橫向、縱向和垂向連通性間如何相互影響、相互轉(zhuǎn)化以及相應(yīng)的時(shí)空尺度等,目前都不清楚,因此,亟需開(kāi)展泥沙連通性概念、內(nèi)涵、屬性、分類(lèi)、指標(biāo)體系等基礎(chǔ)性研究,建立更清晰、更科學(xué)、更具普適性、可以直接測(cè)定或度量的泥沙連通性概念,明確泥沙連通性物理內(nèi)涵和科學(xué)含義。

4.2 影響因素及其動(dòng)力機(jī)制

泥沙連通性受氣候氣象、地質(zhì)地貌、流域特征、地形條件、土壤屬性、植被生長(zhǎng)、水文過(guò)程、土壤侵蝕和人類(lèi)社會(huì)活動(dòng)等眾多因素的綜合影響,同時(shí)許多因子之間又存在著明顯的交互作用,究竟在特定的時(shí)間和空間尺度上,影響泥沙連通性的主控因素是哪些;各主控因素的相對(duì)貢獻(xiàn)是多少;各因子之間交互作用的貢獻(xiàn)又是多少;隨著時(shí)間尺度和空間尺度的變化,泥沙連通性主控因素又會(huì)如何變化;同時(shí),各個(gè)影響因素是通過(guò)什么途徑、什么過(guò)程影響泥沙連通性,許多問(wèn)題尚不明確?？傊?各影響因素影響泥沙連通性的動(dòng)力機(jī)制需要深入系統(tǒng)地研究。

4.3 研究方法體系

本文將泥沙連通性的研究方法分為野外調(diào)查法、圖論法、指標(biāo)法和模型模擬法4類(lèi),但不同方法的理論基礎(chǔ)、數(shù)據(jù)要求、計(jì)算流程與模擬結(jié)果存在較大差異。就目前的技術(shù)水平而言,野外調(diào)查法可以在不同大小的空間尺度上使用,但調(diào)查結(jié)果僅為定性成果,大體上可以反映流域泥沙源匯級(jí)聯(lián)關(guān)系,無(wú)法定量度量泥沙連通性。圖論法需要高精度DEM作為制圖基礎(chǔ),雖然測(cè)量和數(shù)據(jù)處理技術(shù)有了飛速發(fā)展,但大面積高精度DEM的測(cè)量和數(shù)據(jù)處理仍然比較困難,耗時(shí)費(fèi)力,成本很高。同時(shí)為了反映泥沙連通性的時(shí)間變化(如次降雨),需要頻繁監(jiān)測(cè)地形變化,工作量非常大,因此,就目前的技術(shù)水平而言,圖論法僅可以用于徑流小區(qū)、代表性坡面、淺溝或切溝泥沙連通性研究。雖然目前已經(jīng)構(gòu)建了許多泥沙連通性指標(biāo),可以從不同角度定量刻畫(huà)泥沙連通性,但絕大部分指標(biāo)僅能直接反映水文連通性,無(wú)法直接表征泥沙連通性。全球應(yīng)用最為廣泛的連通性指數(shù)(IC),仍直接與結(jié)構(gòu)連通性相關(guān),雖然可以通過(guò)土地利用類(lèi)型、下墊面阻力或隨機(jī)糙率等對(duì)IC進(jìn)行修訂,但仍然無(wú)法擺脫其直接反映結(jié)構(gòu)連通性的物理本質(zhì)。同時(shí)在計(jì)算IC指數(shù)時(shí),需要高精度地形數(shù)據(jù),因而在很大程度上也限制了該指標(biāo)在區(qū)域尺度的使用。目前使用的泥沙連通性指標(biāo),沒(méi)有一個(gè)具有廣泛的通用性,換言之,沒(méi)有任何一個(gè)指標(biāo)可以在所有環(huán)境條件下使用。模型模擬法的計(jì)算結(jié)果與所采用的模型類(lèi)型、模型結(jié)構(gòu)、時(shí)空尺度密切相關(guān)。對(duì)于小流域次降雨而言,次降雨分布式土壤侵蝕過(guò)程模型,可能是研究泥沙連通性的有效工具,如在GIS系統(tǒng)下運(yùn)行的LISEM模型;而在流域和區(qū)域尺度上,分布式SWAT模型可能是量化泥沙連通性的有效工具。無(wú)論是LISEM模型,還是SWAT模型,都需要大量輸入?yún)?shù),同時(shí)SWAT模型以水文響應(yīng)單元為計(jì)算網(wǎng)格,可能會(huì)出現(xiàn)計(jì)算泥沙連通性單元與水文響應(yīng)單元不匹配的現(xiàn)象。因此,需要加強(qiáng)泥沙連通性不同方法的比較研究,建立不同時(shí)空尺度下有效的研究方法和指標(biāo)體系及計(jì)算流程;發(fā)展泥沙連通性(特別是功能連通性)指標(biāo)體系,重點(diǎn)考慮泥沙連通性與地貌過(guò)程、侵蝕營(yíng)力類(lèi)型、土壤屬性、植被格局、水文過(guò)程、泥沙特性間的物理關(guān)聯(lián);研發(fā)不同時(shí)空尺度條件下泥沙連通性估算模型,明確不同模型有效的時(shí)空尺度與應(yīng)用范圍。

4.4 水文連通性與泥沙連通性的關(guān)系

水文連通性和泥沙連通性之間緊密相關(guān),又具有明顯差異,水文連通性重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)徑流的空間物理級(jí)聯(lián),而泥沙連通性關(guān)注的核心是泥沙在空間上的物理聯(lián)系。在大部分情況下,徑流是泥沙輸移的載體,而徑流輸移泥沙以挾沙力為上限,它是徑流水動(dòng)力學(xué)特性(如流態(tài)、流量、坡度等)和泥沙特性(密度、顆粒大小等)的函數(shù)[17,19],隨著徑流挾沙力增大,徑流輸沙率增加,泥沙連通性增強(qiáng),此時(shí)水文連通性和泥沙連通性間是確定性函數(shù)關(guān)系、呈顯著正相關(guān)。但這種關(guān)系的成立,需要足夠多的泥沙可被徑流輸移,換言之,土壤侵蝕過(guò)程為輸移控制,但當(dāng)土壤侵蝕過(guò)程處于分離控制時(shí)[53],因沒(méi)有足夠的泥沙可供徑流輸移,此時(shí)盡管水文連通性很強(qiáng),但泥沙連通性仍會(huì)很低?？捎贸鞘谢鳛榈湫偷陌咐M(jìn)行分析,城市化過(guò)程中大量下墊面被硬化、降雨時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量地表徑流,同時(shí)因建立了完善的排水系統(tǒng),徑流匯聚非常迅速,水文連通性很強(qiáng),但因下墊面被硬化,土壤侵蝕屬于典型的分離控制,侵蝕泥沙很少,所以泥沙連通性很弱,此時(shí)泥沙連通性并沒(méi)有隨著水文連通性的增大而增大。水文連通性和泥沙連通性間的關(guān)系具有時(shí)間依賴性,可用切溝發(fā)育過(guò)程加以簡(jiǎn)單說(shuō)明。處于發(fā)育活躍期的切溝,會(huì)同時(shí)增強(qiáng)水文連通性和泥沙連通性;處于穩(wěn)定發(fā)育初期的切溝,盡管水文連通性很強(qiáng),但因切溝集水區(qū)面積下降,一般降雨條件下產(chǎn)生的徑流已不足以導(dǎo)致切溝的進(jìn)一步發(fā)育,因而侵蝕泥沙很少,泥沙連通性必然很低[54]。隨著切溝的進(jìn)一步穩(wěn)定,切溝底部及邊壁上植被緩慢恢復(fù),水文連通性和泥沙連通性同步緩慢下降。當(dāng)然在極端暴雨條件下,水文連通性和泥沙連通性又會(huì)有所增大。

4.5 泥沙連通性與土壤侵蝕的關(guān)系

泥沙連通性表征了流域內(nèi)泥沙被徑流輸移的連通程度,必然會(huì)影響土壤侵蝕,在一定的時(shí)間尺度上,如細(xì)溝網(wǎng)絡(luò)的形成與發(fā)育、淺溝和切溝的形成及其在活躍期的快速發(fā)育,為坡面徑流匯聚和泥沙輸移提供了便捷通道,在提升泥沙連通性的同時(shí),加劇土壤侵蝕。但無(wú)論是細(xì)溝網(wǎng)絡(luò),還是切溝系統(tǒng),在一定的侵蝕環(huán)境條件下,都會(huì)達(dá)到穩(wěn)定階段,此時(shí)泥沙連通性趨于穩(wěn)定,流域土壤侵蝕也趨于穩(wěn)定。反過(guò)來(lái)土壤侵蝕類(lèi)型、強(qiáng)度及其時(shí)空分布,勢(shì)必會(huì)影響泥沙連通性,強(qiáng)降雨導(dǎo)致的劇烈侵蝕,特別是溝蝕和重力侵蝕的強(qiáng)烈發(fā)育,勢(shì)必會(huì)影響泥沙連通性,影響的大小或方向與侵蝕量的大小密切相關(guān),尤其是重力侵蝕對(duì)泥沙連通性的影響更是如此。小規(guī)模淺層滑坡、崩塌的發(fā)生,在改變徑流流路、提升水文連通性的同時(shí),提供了大量的可被徑流輸移的泥沙,結(jié)果必然是泥沙連通性增大。但大規(guī)模滑坡的發(fā)生,會(huì)產(chǎn)生大量泥沙,堆積于坡面下部或溝道內(nèi),阻礙徑流流動(dòng),降低泥沙連通性。因土壤侵蝕的發(fā)生具有顯著的時(shí)空變異,導(dǎo)致泥沙連通性也會(huì)具有類(lèi)似特征,重力侵蝕發(fā)生的隨機(jī)性,也必然引起泥沙連通性的隨機(jī)性。同時(shí)泥沙連通性和土壤侵蝕間的互饋效應(yīng),可能存在一定的滯后性,對(duì)于一場(chǎng)次降雨,降雨初期流域的泥沙連通性顯著影響土壤侵蝕過(guò)程,隨著侵蝕的持續(xù)發(fā)生,會(huì)導(dǎo)致泥沙連通性發(fā)生明顯變化,進(jìn)而影響后續(xù)的土壤侵蝕。本次降雨導(dǎo)致的土壤侵蝕對(duì)下墊面條件、細(xì)溝—淺溝—切溝系統(tǒng)的改變,又改變了下次降雨初始階段流域的泥沙連通性,進(jìn)一步影響土壤侵蝕時(shí)空分布。

4.6 泥沙連通性與泥沙輸移比的關(guān)系

泥沙輸移比是指流域某一斷面產(chǎn)沙量與斷面以上流域侵蝕量之比,受降雨特性、地質(zhì)地貌、流域形狀、流域面積、土壤性質(zhì)、植被格局、土地利用、溝壑密度、河網(wǎng)密度等多種因素的影響,具有典型的時(shí)空變異特征,可用徑流小區(qū)、單元小流域、模型模擬、核示蹤和泥沙平衡等方法估算,但因無(wú)法直接測(cè)定侵蝕量,因此準(zhǔn)確計(jì)算泥沙輸移比仍存在較大難度[55]。從泥沙輸移比的概念、影響因素、確定方法等多個(gè)方面來(lái)看,泥沙輸移比和泥沙連通性間存在著密切的聯(lián)系,在其他條件相似的前提下,泥沙輸移比越大,自然泥沙連通性越強(qiáng),反之亦然,也就是說(shuō)泥沙輸移比和泥沙連通性間存在較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。但泥沙輸移比僅強(qiáng)調(diào)產(chǎn)沙量與侵蝕量的比值,是個(gè)集總式概念,并不關(guān)心流域內(nèi)泥沙產(chǎn)生及其輸移過(guò)程的空間級(jí)聯(lián)關(guān)系,而泥沙連通性更多關(guān)注流域景觀單元及其時(shí)空變化對(duì)泥沙輸移路徑及其強(qiáng)度的影響,更強(qiáng)調(diào)不同地貌或景觀單元間泥沙的物理級(jí)聯(lián)關(guān)系,是個(gè)典型的分布式概念。因泥沙連通性和泥沙輸移比均可反應(yīng)流域的泥沙輸出,因而在研究中可以相互借鑒、相互解釋、相互印證。

4.7 水土保持措施對(duì)泥沙連通性的影響與機(jī)制

水土保持是影響泥沙連通性的重要因素,無(wú)論是農(nóng)業(yè)措施、生物措施,還是工程措施,都會(huì)通過(guò)侵蝕動(dòng)力和土壤抗蝕性能2個(gè)方面影響泥沙連通性,但不同水土保持措施影響泥沙連通性的程度與機(jī)制存在明顯差異,因此,需要加強(qiáng)典型水土保持措施影響泥沙連通性物理機(jī)制的對(duì)比研究,分析水土保持措施影響泥沙連通性的時(shí)空差異,確定水土保持措施失效導(dǎo)致泥沙連通性陡增的閾值,如暴雨引起梯田邊埂崩塌、道路排水渠系破壞、谷坊與淤地壩損壞等。在氣候變化導(dǎo)致極端降水事件頻發(fā)以及生態(tài)環(huán)境建設(shè)工程有效實(shí)施的大背景下,開(kāi)展相關(guān)研究具有重要的理論和實(shí)踐意義。

5 結(jié) 語(yǔ)

泥沙連通性是近年來(lái)國(guó)際上土壤侵蝕領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),本文從土壤侵蝕角度系統(tǒng)闡述了影響泥沙連通性的因素及其機(jī)制,影響泥沙連通性的主要因素包括氣候氣象、地質(zhì)地貌、流域特征、土壤屬性、植被格局、水文過(guò)程、土壤侵蝕及人類(lèi)社會(huì)活動(dòng)等,眾多影響因素的時(shí)空變異及其交互作用導(dǎo)致泥沙連通性研究比較復(fù)雜,不同影響因素及其交互作用的影響機(jī)制需進(jìn)一步明確。研究泥沙連通性的方法可分為調(diào)查制圖法、圖論法、指標(biāo)法和模型模擬法,不同方法的基本原理、數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、操作過(guò)程、數(shù)據(jù)處理及結(jié)果都存在明顯差異,應(yīng)加強(qiáng)不同方法的對(duì)比分析研究,優(yōu)化泥沙連通性研究方法,建立合理的可度量的泥沙連通性指標(biāo)體系。

在未來(lái)的研究中,需要進(jìn)一步梳理泥沙連通性的基本概念和物理內(nèi)涵,明確泥沙連通性與水文連通性、土壤侵蝕及泥沙輸移比間的相互關(guān)系,同時(shí)需要加強(qiáng)水土保持措施影響泥沙連通性動(dòng)力機(jī)制的研究,為不同時(shí)空尺度土壤侵蝕機(jī)理與動(dòng)力過(guò)程研究提供理論支持,為流域水土保持措施配置和生態(tài)服務(wù)評(píng)價(jià)提供技術(shù)服務(wù)。